论文摘要
随着计算机和机器人技术的发展，现代移动机器人在工业制造、军事、民用、科学研究等方面得到了越来越广泛的应用。它们可以代替人类实现很多繁重或恶劣条件下人类无法胜任的工作。另外，移动机器人的研究处在的多学科交叉领域，给新理论和方法的产生都提供了广阔的实践舞台。因此移动机器人的研究一直得到各国的高度重视。根据移动机器人的工作环境不同，可以简单地把它分为两大类：室外移动机器人和室内移动机器人。本文研究的是室内移动机器人的基于二维激光雷达的自动室内三维重建系统。首先介绍了系统的硬件构成。本系统主要由三部分构成：a．二维激光扫描雷达；b．扫描机械装置及驱动；c．控制与数据采集单元。扫描机械装置包括支架和旋转轴，由一个步进电机驱动。控制单元是一个由MCS-51单片机为核心的控制系统组成。单片机系统通过RS—232接口和上位计算机相连接。主要任务是：a．接收上位机发送的控制命令，如转到扫描初始位、启动扫描、停止扫描、扫描范围设定、扫描速度设定等等，解释这些命令后转化成步进电机的控制信号，发送给步进电机；b．向上位机发送当前俯仰角。经过细分后的步进电机步距角细达0.028度。单片机系统只需知道步进电机转过的角度和初始位置角，就可以知道当前俯仰角。俯仰角每隔4 ms发送一次，频率高于激光雷达的水平扫描的周期26ms。数据采集单元一方面负责连续不断地通过高速数据采集接口卡获取激光雷达发送的距离数据，另一方面不停接收单片机系统发来的俯仰角度数据，将两者同时存储起来。这样就获得了每帧激光雷达数据及其扫描平面的位置。最终通过坐标转换后可以获得所有数据点的空间坐标。其次介绍了系统的3D重建过程。每当系统获得一帧3D激光雷达的扫描数据，在进行坐标变换后，即分开两条不同的处理路线：一是和上一帧点云数据进行ICP匹配，获得本帧数据和上帧之间的位置变化量；另一路是将数据进行直线和平面提取，获得当前帧的平面模型。最后通过求得的位置变化量将当前帧的平面模型和已有的平面模型融合起来以扩大整个场景。这样反复直到最后获得整个场景的三维平面模型。最后给出实验结果。实验结果表明：该系统成本低，精度高，能稳定可靠地实现室内场景的自动三维重建。